鐵路機(jī)車車輪踏面失圓的檢測方法綜述

劉紅，雷新紅

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，技術(shù)中心,湖南株洲 412001)

鐵路機(jī)車車輪踏面失圓的檢測方法綜述

劉紅，雷新紅

(南車株洲電力機(jī)車有限公司，技術(shù)中心,湖南株洲 412001)

20世紀(jì)70年代以來，世界各國針對鐵路機(jī)車車輪踏面失圓進(jìn)行了不懈的研究，提出了多種不同的檢測方法。文中對鐵路機(jī)車車輪踏面失圓原因、踏面失圓形式以及踏面失圓檢測方法進(jìn)行了綜述。

鐵路機(jī)車；車輪踏面；失圓；檢測

0 引言

輪對是鐵路機(jī)車行走部的關(guān)鍵部件之一，其運行狀態(tài)對車輛的振動、行車安全、乘客舒適度等有非常重要的影響。車輪及閘瓦的材質(zhì)不匹配、列車緊急制動、司機(jī)駕駛水平有限等諸多原因，易造成車輛車輪踏面失圓。

車輪失圓(Out of Roundness,OOR)是指車輪踏面型面的變化，包括車輪表面相對水平或橫向理論形狀的偏差和相對圓周方向的不圓度偏差。車輪滾動圓失圓形式可分為局部非圓化、全周失圓化兩種，前者是指車輪踏面局部出現(xiàn)沿車輪徑向的缺陷，扁疤、剝離等都是局部非圓化的表現(xiàn)形式；后者主要是車輪多邊形化，即車輪半徑沿整個圓周呈周期性變化。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制的不同，車輪失圓可分為車輪擦傷、踏面剝離、局部不圓順、車輪多邊形等幾種，其表現(xiàn)形式及產(chǎn)生原因如表1所示。

表1 車輪踏面不圓度表現(xiàn)形式及產(chǎn)生原因

1 車輪踏面失圓檢測概述

車輪失圓檢測方法已有多年的研究歷史，主要可分為離線檢測及在線檢測兩大類。離線檢測適合于鐵路車輛入庫后進(jìn)行；在線檢測方法則無須車輛靜止后拆卸，可實現(xiàn)在自然環(huán)境下快速的檢測。二者的優(yōu)缺點詳見表2。

表2 踏面離/在線檢測優(yōu)缺點比較

早期對車輪踏面失圓的檢查有耳聽、錘敲、眼看等傳統(tǒng)離線方法，這些方法受人為因素、故障所處的部位、現(xiàn)場工作條件等因素影響，不易及時發(fā)現(xiàn)車輪踏面故障，易造成漏檢、漏修，又增加工人的勞動強度，延長技檢時間；只能定性地對車輪踏面進(jìn)行分析，無法定量進(jìn)行測量，對于速度較快的在運列車，這些方法不適用。

近年來，車輪踏面失圓自動檢測等在線檢測方法不斷研制成功并投入使用，可自動地實現(xiàn)對列車動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)輪對踏面故障，可提高車輛檢修質(zhì)量、縮短技檢時間、加速車輛周轉(zhuǎn)、改善車輛運行條件、降低勞動強度。如文獻(xiàn)[1]概述了日本鐵路貨運公司將在線實時車輪踏面擦傷檢測裝置、貨物信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等多個信息渠道鏈接，建立貨車檢修管理系統(tǒng)，實現(xiàn)貨運車輛車輪擦傷狀態(tài)判定、列車車次確定、貨車車號確定、嚴(yán)重踏面擦傷報警通知、扣車與扣修指令下達(dá)、檢修區(qū)車輪踏面旋修等，對日本約8000輛集裝箱貨車的車輪踏面擦傷實現(xiàn)了自動化管理。

2 車輪踏面失圓檢測方法

隨著車輪踏面失圓檢測研究的深入，目前已有多種不同類型的檢測方法投入使用，如噪聲檢測法、圖像檢測法、電信號檢測法、振動加速度檢測法、位移檢測法等。

2.1 噪聲檢測法

高瑞鵬等[2]從踏面擦傷車輪引起的噪聲出發(fā)，將兩組麥克風(fēng)陣列、兩個速度傳感器分別安裝在運行車輛底部、車輪后方的減震箱內(nèi)，用于采集輪軌噪聲。提出了一種將遺傳算法與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的算法，通過分析輪軌噪聲判定車輪踏面擦傷程度。該方法所用實驗設(shè)備簡單、易操作，但因設(shè)備安裝在車輛上，只能檢測固定的某一輪對(或幾對)的踏面擦傷情況。

2.2 圖像檢測法

田麗麗等[3]在鋼軌兩側(cè)分別放置3個千兆網(wǎng)數(shù)字面陣CCD攝像機(jī)、3個光源用于采集低速運行下車輛車輪的踏面處圖像，經(jīng)圖像處理模塊的平滑去噪、踏面區(qū)域分割，實現(xiàn)目標(biāo)檢測及擦傷定位。

文獻(xiàn)[4]采用雙CCD相機(jī)攝像，拍攝車輪輪轂斷面曲線圖像，獲得車輪踏面圖像，并采用圖像處理的方法對其進(jìn)行分割、二值化處理，在不接觸踏面的條件下實現(xiàn)踏面擦傷檢測，同時與計算機(jī)接口，實現(xiàn)自動檢測、分析及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

2.3 電信號檢測法

文獻(xiàn)[5]在軌道上設(shè)置如圖1所示的車輪傳感器和振動傳感器，前者主要用于計算車速、軸距、軸數(shù)、車輛數(shù)等，后者接收振動信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號。兩個檢測區(qū)長度均為L/2(L為車輪踏面的周長)，分別用于檢測車輪的前半周、后半軸的踏面擦傷，中間相隔距離L。在每個檢測區(qū)外邊設(shè)置2個振動傳感器用于判別鄰輪干擾及距離補償。該系統(tǒng)實現(xiàn)了信號的自動采集，無需切斷鋼軌、無需在鋼軌上打孔。

2.4 振動加速度檢測法

文獻(xiàn)[6]針對擦傷的車輪踏面在行進(jìn)過程中產(chǎn)生振動的特點，將10個加速度傳感器平均安裝在信號采集區(qū)間內(nèi)的軌道兩側(cè)，用于測量輪軌振動信號(檢測裝置如圖2所示)，并采用小波分析方法分析所采集的振動信號的不同頻率，得到不同頻率的能量，評定車輪踏面擦傷。

2.5 位移檢測法

李景泉等[7]采用踏板法直接檢測車輪踏面擦傷深度。其測量原理是在軌道的內(nèi)側(cè)車輪輪緣正下方加入踏板裝置，踏板下方安裝傳感器。當(dāng)有踏面擦傷的車輪經(jīng)過時，由于重力作用及輪緣半徑一定，踏板會隨輪緣垂直往下下降一高度，該高度即為該瞬間車輪踏面擦傷的深度。傳感器實時將該信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸給數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)，以記錄信息并計算深度值。

文獻(xiàn)[8]采用的測量裝置與李景泉等采用的裝置類似，均為接觸式位移法直接獲取車輪踏面擦傷深度值。不同的是，文獻(xiàn)[8]中裝置加入了阻尼器/減震器以吸收系統(tǒng)的振動，減小了車輪振動對擦傷信號判定的影響，減輕了后續(xù)車輪踏面擦傷分析時的工作量。

3 結(jié)束語

對引起鐵路機(jī)車車輪踏面失圓的原因、表現(xiàn)形式進(jìn)行了概述，并對目前已研究出的各種車輪踏面失圓檢測方法進(jìn)行了綜述。隨著鐵道車輛，特別是高鐵車輛車速越來越快，采用非接觸式、快速、自動化的檢測研究方法將成為今后的研究重點。

【1】 井野智裕，李偉平.利用踏面擦傷檢測裝置管理貨車車輪踏面[J].國外鐵道車輛，2013(6):42-45.

【2】 高瑞鵬，尚春陽，江航.遺傳算法結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的列車車輪扁疤故障檢測方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2013,47(9)：88-91.

【3】 田麗麗，方宗德，趙勇.鐵路貨車車輪踏面?zhèn)麚p檢測中剝離與擦傷定位方法[J].鐵道學(xué)報，2009(5):31-36.【4】 羅意平，李雪雷，王峰，等.基于線結(jié)構(gòu)光的輪對踏面測量方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2005,2(3)：75-77.

【5】 侯世江.對車輪踏面擦傷微機(jī)自動檢測系統(tǒng)的初步研究[J].鐵道車輛，2001(12):36-38.

【6】 倪然，馬慶春，遲寶權(quán)，等.車輪踏面擦傷檢測技術(shù)及數(shù)據(jù)分析方法[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(5)：59-61.

【7】 李景泉，劉繼.車輪踏面擦傷自動檢測方法的研究和試驗[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2003,31(4)：473-476.

【8】 黃艷紅，高曉蓉，王黎，等.基于平行四邊形機(jī)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)車車輪踏面擦傷信號的檢測判定[J].機(jī)車電傳動，2008(1)：52-54.

Review of Detecting Methods for Out of Roundness of Locomotive Wheel Tread

LIU Hong,LEI Xinhong

(R&D Center,CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412001,China)

Since the 1970s,people from around the world have done a lot of research in the area of out of roundness(OOR),and have proposed a variety of different detection methods.The causes,forms,and detection methods for OOR of locomotive wheel tread were reviewed.

Locomotive；Wheel tread；Out of roundness；Detection

2014-12-03

劉紅(1986—)，男，助理工程師，主要從事鐵路機(jī)車方面的檢測與試驗研究工作。E-mail:syliuhong@163.com。